突出煤層區(qū)域措施效檢指標(biāo)殘余瓦斯含量臨界值研究

韓承強(qiáng)

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

0 引言

殘余瓦斯含量測試過程快捷，受現(xiàn)場因素影響較少，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，是煤礦現(xiàn)場檢驗(yàn)瓦斯防治效果的首選指標(biāo)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求針對(duì)不同煤層需實(shí)際考察該指標(biāo)的臨界值。而目前我國的多數(shù)礦井未開展對(duì)該指標(biāo)的系統(tǒng)、準(zhǔn)確、科學(xué)的考察工作，僅以《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》推薦的臨界值8m3/t作為瓦斯防治效果檢驗(yàn)的依據(jù)。未考慮不同性質(zhì)的煤層具有不同瓦斯吸附能力的特點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)殘余瓦斯含量臨界值差異較大的情況。因此，實(shí)際的生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)方面的問題。一是若指標(biāo)臨界值偏經(jīng)濟(jì)，安全可靠性會(huì)降低，為礦井的安全生產(chǎn)帶來隱患；二是若指標(biāo)臨界值偏安全，會(huì)導(dǎo)致防突工程量增加，經(jīng)濟(jì)上不合理。因此，研究確定一套系統(tǒng)、科學(xué)、合理的針對(duì)不同性質(zhì)煤層的殘余瓦斯含量臨界值考察方法，有助于煤礦瓦斯的精準(zhǔn)防治。

以中嶺煤礦一井3號(hào)煤層為背景，在以往研究成果的基礎(chǔ)上，歸納并采取了一種基于煤層突出資料、歷史數(shù)據(jù)、瓦斯基本參數(shù)及經(jīng)驗(yàn)公式等的臨界值初值確定方法，基于鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)、瓦斯涌出、突出預(yù)兆等于殘余瓦斯含量關(guān)系的現(xiàn)場考察及修正方法，并通過現(xiàn)場在不同工作面擴(kuò)大應(yīng)用最終確定殘余瓦斯含量臨界值確定方法。

1 臨界值考察方法

所采用方法主要分三個(gè)階段。第一階段：通過對(duì)所考察煤層突出資料和歷史校檢數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、瓦斯基本參數(shù)測試，并綜合前人研究成果、經(jīng)驗(yàn)公式，分析確定殘余瓦斯含量臨界值初值。第二階段:在所考察煤層采掘工作面測定殘余瓦斯含量指標(biāo)的同時(shí)，測定鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值，現(xiàn)場考察工作面采掘過程中的瓦斯涌出、煤層賦存及突出預(yù)兆等資料，分析第一階段所確定的初值的合理性，并對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的修正。第三階段：將修正后的殘余瓦斯含量臨界值應(yīng)用于不同的采掘工作面，驗(yàn)證其可靠性、合理性，并最終確定殘余瓦斯含量臨界值及適用條件。

2 殘余瓦斯含量臨界值初值確定

2.1 根據(jù)歷史資料分析

2.1.1 區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

中嶺一井3號(hào)煤層以往煤巷條帶掘進(jìn)期間，采用的殘余瓦斯含量臨界值為8m3/t，對(duì)3號(hào)煤層11034 工作面和12033 工作面煤巷掘進(jìn)過程中測定的136個(gè)殘余瓦斯含量數(shù)據(jù)所處范圍進(jìn)行了分析，如表 1所示。

表1 3號(hào)煤層殘余瓦斯含量歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

由表1可知，中嶺煤礦一井3號(hào)煤層以往殘余瓦斯含量超過8m3/t的占90%，超過9m3/t的占73%，超過10m3/t的占49%，超過11m3/t的占30%，超過12m3/t的占18%，而未超過8m3/t的僅占10%。且在僅在殘余瓦斯含量超過9m3/t時(shí)出現(xiàn)過噴孔、頂鉆等突出預(yù)兆和區(qū)域驗(yàn)證鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值超標(biāo)的顯現(xiàn)，因此以8m3/t作為3號(hào)煤層區(qū)域防突措施效果指標(biāo)臨界值有待商榷。

2.1.2 根據(jù)突出資料分析

中嶺煤礦一井自建井以來3號(hào)煤層分別在11033東段工作面和12031回采工作面發(fā)生過以此突出，突出地點(diǎn)基本資料如表2所示。

表2 中嶺煤礦一井3號(hào)煤層突出數(shù)據(jù)

兩處突出地點(diǎn)及鄰近區(qū)域均無實(shí)測的瓦斯壓力和瓦斯含量資料，但掌握突出點(diǎn)的始突瓦斯壓力或瓦斯含量，對(duì)準(zhǔn)確確定殘余瓦斯含量臨界值非常關(guān)鍵，因此，本文根據(jù)中嶺煤礦一井3號(hào)煤層瓦斯賦存規(guī)律研究中所測定的瓦斯參數(shù)，計(jì)算確定突出點(diǎn)瓦斯含量。以往實(shí)測瓦斯參數(shù)如表3所示。

表3 中嶺煤礦一井3號(hào)煤層瓦斯參數(shù)測定數(shù)據(jù)

對(duì)表3中3號(hào)煤層瓦斯含量和對(duì)應(yīng)埋深進(jìn)行線性回歸，得出3號(hào)煤層瓦斯含量與埋深相關(guān)關(guān)系如圖1所示。

圖1 3號(hào)煤層瓦斯含量隨埋深變化曲線

中嶺煤礦一井3號(hào)煤層的瓦斯含量與埋深符合關(guān)系式(1)：

y=0.024x+1.103 8

(1)

根據(jù)式(1)計(jì)算的11033東段工作面突出點(diǎn)處瓦斯含量為12.86m3/t、12031回采工作面突出點(diǎn)處瓦斯含量為9.14m3/t。

2.2 根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測試數(shù)據(jù)分析

2.2.1 實(shí)驗(yàn)室測試數(shù)據(jù)

通過實(shí)驗(yàn)室參數(shù)的測定，能掌握3號(hào)煤層的物理力學(xué)性質(zhì)、瓦斯吸附性能等。從現(xiàn)場取得3號(hào)煤層煤樣9份，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)的測試，其測試數(shù)據(jù)見表4所示。

表4 3號(hào)煤層煤體結(jié)構(gòu)參數(shù)及瓦斯參數(shù)

2.2.2 防突工作對(duì)相關(guān)參數(shù)的要求

我國煤礦防治煤與瓦斯突出過程中，取殘余瓦斯壓力臨界值未0.74 MPa。根據(jù)以往對(duì)瓦斯賦存一般規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)，瓦斯壓力與瓦斯含量呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，且符合朗格繆爾方程，為此，利用表4中測得的3號(hào)煤層的瓦斯基本參數(shù)及瓦斯壓力臨界值，可以計(jì)算得到9處采樣地點(diǎn)煤層的瓦斯含量為12.14 m3/t、12.03 m3/t、11.56 m3/t、10.91 m3/t、9.67 m3/t、11.08 m3/t、10.41 m3/t、11.20 m3/t、10.29 m3/t，最小值為9.67 m3/t。

以往的研究成果表明，煤體抵抗突出的能力取決于堅(jiān)固性系數(shù)，即煤層越軟，發(fā)生突出時(shí)的瓦斯壓力就越小，反之則發(fā)生突出時(shí)的瓦斯壓力就越大。因此，國內(nèi)外學(xué)者和研究就夠根據(jù)煤層的堅(jiān)固性系數(shù)推導(dǎo)出了計(jì)算發(fā)生突出時(shí)所需最小瓦斯壓力的經(jīng)驗(yàn)公式。

蘇聯(lián)學(xué)者認(rèn)為煤層突出最小瓦斯壓力與其最小堅(jiān)固性系數(shù)的平方成正比，其經(jīng)驗(yàn)公式如下：

(2)

原煤炭科學(xué)研究總院和原北票礦務(wù)局對(duì)煤科總院和北票礦務(wù)局對(duì)北票礦區(qū)采掘過程的歷史資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為煤層突出時(shí)所需的最小瓦斯壓力最小值與煤層最小堅(jiān)固系數(shù)成線性關(guān)系，其經(jīng)驗(yàn)公式如下：

pmin=Nfmin+0.39

(3)

原中國煤炭科學(xué)研究院重慶分院在對(duì)我國突出事故及突出煤層大量研究的基礎(chǔ)上，得出煤層突出時(shí)所需最小瓦斯壓力經(jīng)驗(yàn)公式如下：

pmin=Nfmin

(4)

式(2)、(3)和(4)中：pmin為煤層突出所需最小瓦斯壓力，MPa；fmin為煤層最小堅(jiān)固性系數(shù)；N為常數(shù)。

將3號(hào)煤層所測得不同地點(diǎn)的堅(jiān)固性系數(shù)值代入上述3個(gè)公式，計(jì)算得到3號(hào)煤層突出所需的最小瓦斯壓力為0.66MPa，根據(jù)此臨界值，通過朗格繆爾方程并利用表4中3號(hào)煤層工業(yè)分析指標(biāo)及瓦斯吸附常數(shù)測算得出瓦斯含量臨界值分別為11.50 m3/t、11.41 m3/t、10.95 m3/t、10.30 m3/t、9.20 m3/t、10.49 m3/t、9.85 m3/t、10.71m3/t、9.80 m3/t，最小值為9.20 m3/t。

2.3 綜合分析確定初值

根據(jù)上述對(duì)歷史資料統(tǒng)計(jì)、對(duì)實(shí)驗(yàn)室測試數(shù)據(jù)的測試以及對(duì)相關(guān)規(guī)定、以往研究成果及經(jīng)驗(yàn)公司的綜合分析，幾種方法所得到的殘余瓦斯含量最小值分別為9.14m3/t，9.67m3/t和9.20m3/t。考慮到煤與瓦斯突出突出機(jī)理的復(fù)雜性，往往還與地應(yīng)力等因素有關(guān)，瓦斯含量或瓦斯壓力不是導(dǎo)致煤與瓦斯突出的唯一指標(biāo)，因此，要謹(jǐn)慎確定殘余瓦斯含量臨界值，要略小于突出煤層的實(shí)際臨界值。因此，選擇9.14 m3/t作為區(qū)域防突措施效果檢驗(yàn)指標(biāo)殘余瓦斯含量臨界值初值，以此為基礎(chǔ)開展下一步的現(xiàn)場考察。

3 現(xiàn)場考察及修正

3.1 考察地點(diǎn)

現(xiàn)場考察地點(diǎn)選取3號(hào)煤層12033工作面，該工作面走向長約1 500m，傾斜長約205m，工作面標(biāo)高+1 750～+1 810m，對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高+2 250～+2 100m，工作面埋深290～503m。最大瓦斯含量約14.21m3/t。該工作面部分處于上部1號(hào)煤層12013工作面采空區(qū)保護(hù)范圍。而未受1號(hào)煤層保護(hù)的3號(hào)煤層采用了順層鉆孔和穿層鉆孔預(yù)抽相結(jié)合的措施預(yù)抽煤層瓦斯。

水庫大壩除險(xiǎn)加固體制機(jī)制問題與對(duì)策思考…………………………………………… 張大偉，李 雷(10.31)

3.2 考察方案

3.2.1 工作面瓦斯賦存規(guī)律

根據(jù)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》要求，對(duì)防突措施的效果檢驗(yàn)鉆孔應(yīng)當(dāng)盡量布置在抽采效果薄弱的區(qū)域，為了提高殘余瓦斯含量考察結(jié)果可靠程度，應(yīng)首先研究分析12033工作面瓦斯抽采后的瓦斯分布規(guī)律情況，對(duì)工作面正?；夭善陂g區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)K1值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

12033工作面每循環(huán)施工16個(gè)區(qū)域驗(yàn)證鉆孔，間距12m，深度10m，考慮煤層瓦斯賦存的不均勻性和測定過程中存在的客觀數(shù)據(jù)誤差，統(tǒng)計(jì)每個(gè)鉆孔所測得最大值K1值。以運(yùn)輸巷為起始點(diǎn)，沿工作面傾向方向上區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)K1值平均值分布情況如圖2所示。

通過圖2中數(shù)據(jù)分析，可以總結(jié)得出12033工作面采取區(qū)域防突措施后瓦斯賦存規(guī)律：12033工作面實(shí)施過抽采措施后，工作面中部瓦斯抽采效果弱于工作面兩點(diǎn)段抽采效果，主要是受抽采鉆孔內(nèi)負(fù)壓損失及鉆孔軌跡偏移引起，其瓦斯賦存為由工作面兩巷位置向中間位置逐漸升高，工作面傾向瓦斯較高的區(qū)域位于距運(yùn)輸巷70～140m區(qū)域。

圖2 12033工作面區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)K1值分布曲線

3.2.2 考察方案制定

根據(jù)工作面瓦斯賦存規(guī)律考察的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)殘余瓦斯含量考察鉆孔，即在12033工作面區(qū)域驗(yàn)證測定K1值，并統(tǒng)計(jì)每個(gè)鉆孔最大值的基礎(chǔ)上，當(dāng)區(qū)域驗(yàn)證鉆孔鉆進(jìn)至10m時(shí)，選取3個(gè)鉆孔取心測定煤層殘余瓦斯含量，3個(gè)鉆孔應(yīng)位于工作面距運(yùn)輸巷70～140m范圍。

3.3 考察結(jié)果

現(xiàn)場考察期間工作面已經(jīng)實(shí)施了瓦斯抽采措施，當(dāng)考察的K1值或S值大于超標(biāo)時(shí)采取排放措施?，F(xiàn)場考察跟蹤工作面回采長度240m，跟蹤考察區(qū)域驗(yàn)證循環(huán)30個(gè)，其中測定殘余瓦斯含量90個(gè)，測定鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值450個(gè)，實(shí)測殘余瓦斯含量最大值及鉆屑瓦斯指標(biāo)最大值變化趨勢如圖3所示。

圖3 12033工作面殘余瓦斯含量和K1值分布曲線

據(jù)圖3可知，12033工作面測定3號(hào)煤層的90個(gè)殘余瓦斯含量中，最大值為11.34m3/t，最小值為2.89m3/t，有3個(gè)測試鉆孔所測殘余瓦斯含量為10.93m3/t，11.34m3/t，9.32m3/t，超過了臨界值初值9.14m3/t，其對(duì)應(yīng)位置所測得最大鉆屑瓦斯解析指標(biāo)K1值為0.55mL/g·min1/2、0.61mL/g·min1/2、0.51mL/g·min1/2，超過了區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)臨界值，且殘余瓦斯含量為10.93m3/t，11.34m3/t的鉆孔出現(xiàn)頂鉆、噴孔的突出預(yù)兆。

對(duì)上述3個(gè)循環(huán)補(bǔ)充執(zhí)行抽放措施后進(jìn)行二次檢驗(yàn)，其殘余瓦斯含量分別降至6.87 m3/t、8.25 m3/t和7.01 m3/t，對(duì)應(yīng)位置最大鉆屑瓦斯解析指標(biāo)K1值分別降至0.38mL/g·min1/2、0.40mL/g·min1/2和0.35mL/g·min1/2。其余鉆孔施工期間沒有出現(xiàn)指標(biāo)超標(biāo)及噴孔、頂鉆等突出預(yù)兆和瓦斯涌出異常的情況。

3.4 瓦斯含量臨界值確定

通過對(duì)12033工作面考察試驗(yàn)指參數(shù)屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值與殘余瓦斯含量W的統(tǒng)計(jì)分析，可以確定殘余瓦斯含量臨界初值。

根據(jù)12033工作面現(xiàn)場考察試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及圖3現(xiàn)場考察實(shí)測指標(biāo)分布曲線可知，當(dāng)瓦斯含量W<9 m3/t時(shí)其區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)均未超標(biāo)，其中最大殘余瓦斯含量8.952 2m3/t對(duì)應(yīng)的最大K1為0.46mL/g·min1/2，且未出現(xiàn)過頂鉆、噴孔等突出預(yù)兆；當(dāng)瓦斯含量9.0≤W<10 m3/t時(shí)對(duì)應(yīng)的區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)均高于臨界值0.5mL/g·min1/2，實(shí)測殘余瓦斯含量9.82m3/t對(duì)應(yīng)最大K1為0.51mL/g·min1/2，但打鉆過程中未出現(xiàn)過頂鉆、噴孔等突出預(yù)兆；當(dāng)殘余瓦斯含量W≥10m3/t時(shí)不僅區(qū)域驗(yàn)證指標(biāo)超標(biāo)，且出現(xiàn)頂鉆和微噴孔的突出預(yù)兆。實(shí)測殘余瓦斯含量10.93m3/t和11.34m3/t對(duì)應(yīng)的K1值分別為0.55 mL/g·min1/2和0.61 mL/g·min1/2。

根據(jù)現(xiàn)場考察測試鉆孔施工情況分析，12033工作面考察試驗(yàn)區(qū)域煤層賦存穩(wěn)定，無地質(zhì)構(gòu)造等異常帶。在綜合分析指標(biāo)測試現(xiàn)狀并考慮礦井預(yù)測管理水平和操作水平等的基礎(chǔ)上，從安全保險(xiǎn)的角度考慮，瓦斯含量9～10 m3/t存在一定安全區(qū)間，而殘余瓦斯含量臨界值取9m3/t是比較安全的。綜合以上分析，將中嶺煤礦一井3號(hào)煤層殘余瓦斯含量臨界值修正為9m3/t。并以此為基礎(chǔ)在其他工作面開展擴(kuò)大應(yīng)用。

4 擴(kuò)大應(yīng)用

4.1 擴(kuò)大應(yīng)用地點(diǎn)

11034工作面位于11采區(qū)井筒西翼，走向長845m，傾斜長160m。11034工作面對(duì)應(yīng)地形東高西低，對(duì)應(yīng)地表最高標(biāo)高為2 175m，最低標(biāo)高1 975m。11034工作面3號(hào)煤層呈黑色塊狀，半亮至半暗型，煤層厚度1.2～2.0m。煤層走向70°～74°，平均72°；煤層傾角8°～14°，平均12°。直接頂板為深灰色粉沙質(zhì)泥巖；老頂為灰色粉砂巖。直接底板為灰色泥巖，厚度0.2m，向下為泥質(zhì)粉砂巖，含菱鐵礦結(jié)核。工作面區(qū)域防突措施為順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯。

4.2 擴(kuò)大應(yīng)用方案

擴(kuò)大應(yīng)用方案同現(xiàn)場考察時(shí)方案基本一致，主要時(shí)在不同工作面對(duì)確定的殘余瓦斯含量臨界值進(jìn)行驗(yàn)證，在11034工作面區(qū)域驗(yàn)證期間對(duì)鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值和殘余瓦斯含量進(jìn)行規(guī)范考察，取驗(yàn)證鉆孔中最大值作為該鉆孔K1值；當(dāng)鉆孔鉆進(jìn)至10m時(shí)，選取3個(gè)鉆孔取心測定煤層殘余瓦斯含量，3個(gè)鉆孔應(yīng)盡量布置在工作面距運(yùn)輸巷70～140m范圍。

4.3 擴(kuò)大應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

擴(kuò)大應(yīng)用期間跟蹤考察11034工作面回采長度為240m，跟蹤考察區(qū)域驗(yàn)證循環(huán)30個(gè)，實(shí)測殘余瓦斯含量90個(gè)，統(tǒng)計(jì)最大鉆屑解析指標(biāo)K1值450個(gè)，各循環(huán)實(shí)測瓦斯含量及最大鉆屑瓦斯指標(biāo)分布情況如圖4所示。

圖4 11034工作面殘余瓦斯含量和K1值分布曲線

根據(jù)圖4實(shí)測殘余瓦斯含量和鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值分布曲線可知，12033工作面考察測定3號(hào)煤層殘余瓦斯含量數(shù)據(jù)90個(gè)，最大值為8.81m3/t，最小值為3.15m3/t，相應(yīng)鉆孔鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值為0.48mL/g·min1/2和0.15mL/g·min1/2，期間未出現(xiàn)噴孔、頂鉆和等突出預(yù)兆或瓦斯異常涌出情況。

4.4 瓦斯含量臨界值確定

本次殘余瓦斯含量臨界值考察，在中嶺煤礦一井3號(hào)煤層12033、11034工作面共考察了約480m，跟蹤測試了60個(gè)區(qū)域驗(yàn)證循環(huán)，共獲得殘余瓦斯含量值180個(gè)，獲得鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值900個(gè)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明確定的殘余瓦斯含量臨界值符合3號(hào)煤層瓦斯賦存特點(diǎn)，最終確定的中嶺煤礦一井3號(hào)煤層殘余瓦斯含量指標(biāo)臨界值為9m3/t。

5 結(jié)論

1)中嶺煤礦一井3號(hào)煤層正常賦存區(qū)域殘余瓦斯含量指標(biāo)臨界值可確定為9.0 m3/t。

2)該臨界值適用條件應(yīng)為3號(hào)煤層瓦斯及地質(zhì)構(gòu)造賦存穩(wěn)定區(qū)域，區(qū)域內(nèi)煤質(zhì)、煤層厚度、煤體硬度、煤層傾角變化較小，無異常地質(zhì)構(gòu)造及構(gòu)造煤。如在煤層、瓦斯及地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)域應(yīng)適當(dāng)減小該臨界值，并加強(qiáng)執(zhí)行區(qū)域防突措施。